（检测技术与自动化装置专业论文）led阵列照明光源的仿真研究与设计.pdf

摘要 摘要 基于节能的需要以及人们对照明质量要求的不断提高，半导体照明光源以其高 效节能、长寿命、色彩丰富和环保等特点受到了人们的广泛关注。本文对发光二极 管l e d 阵列应用于照明的计算和设计进行了探讨和研究。l e d 照明的设计对l e d 照明的普及和真正实现绿色照明起到了至关重要的作用。 ， 文中结合软件和照明算法提出的对l e d 阵列照明进行计算机仿真设计的思路， 是一种事前估计，在照明器制造出以前就可以分析其光学特性是否符合照明标准， 减少了人力和物力的消耗，缩短了设计和制造周期，提高了经济效益。 论文首先论述了l e d 照明发展概况、l e d 光源的特性、驱动电路的设计，对 l e d 光源在照明中的应用作了深入探讨。接着对l e d 照明设计中的相关计算，主要 是对照度计算和光通量计算的方法进行了总结和编程计算，根据叠加原理推出了两 个l e d 光源在平面上产生照度的公式，根据相同的原理进一步推出多个l e d 光源 产生照度的计算方法，据此对基础阵列进行照度分布仿真并进行分析。 对l e d 基础阵列应用于照明的设计进行了探讨的基础上，进一步研究了l e d 阵列呈矩形、圆形、内外半圆柱面及部分球面等特殊排列的分布，根据不同排列分 布得出不同l e d 阵列照度分布仿真图像，根据图像对不同l e d 阵列进行分析，总 结比较各种阵列的特点，分析出适合此阵列的灯具。 最后实际设计l e d 矩形分布阵列，采用恒流驱动电路驱动，对实际照度分布进 行测试，通过与仿真分布进行比较，证实仿真数据偏差较小，能真实反映实际l e d 灯具的照射效果。另外，论文以l e d 路灯和台灯为例研究了l e d 阵列仿真在实际 设计l e d 灯具中的应用，给出了分析此类实际问题的一个基本方法，相关成果可为 l e d 照明光学系统的设计和研究提供依据。 关键词发光二极管；l e d 阵列；照明；照度；仿真； a b s t r a c t w i t ht h ed e m a n do fe n e r g ys a v i n ga n dt h er e q u i r e m e n t f o rh i 曲e r1 i 咖1 n gq u a n y s e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gs o u r c e sh a v eb e e nc o n c e m e d f o “t se x c e l l e mc h a r a d e n s t l c s ：竺n e f f i c i e n ta j l de n e 唱ys a v i n g ，l o n gl i f e ，r i c h c o l o r sa j l de n v i r o n m e t l t a lp r o t e c t l o ne t c - n e c a l c u l a t i 。na i l dd e s i 印0 fm u m i n a t i o n a r ed i s c u s s e d t h ed e s i g no f l e 川u u m l n a t l o n p l a y sa ni m p o r t a n t r 。l ei ni t sp r e v a l e n c ea n d t h ei m p l e m e n t a t l o n 。fg r e e n | u ? m a t i ：n ：e n b a s e dt h es o 肌a r ea n dl i g h t i n ga l g o r i t h m ，s i m u l a t i o nt 0 恤懈诤研掣 i 1 1 u m i n a t i o na r ep r e e s t i m a t e d ，i tc a j lj u d g e w h e t h e rt h eo p t i c a lc h a r a d e r 趣t l c s s ：l n t h e i l l u m i n a t i o ns t a n d a r d so rn o tb e f o r et h ei 1 1 u m i n a t i o nd e v i c e a r ep r o d u c e d s oo nm e 0 1 ：e h a n d , i tc u t sd o w nt h em a n p o w e r a i l dm a t e r i a lr e s o u r c e s ，o nt h eo t h e rh a n d , i t n o to n l y r e d u c e st h ep e r i o do fd e s i g na n dm a n u f a c n l r e b u ta l s oe i l h 撇汕咖们m 1 曲朗e ? f i r s t , l e dl i g h t i n g a n dl e dl i g h t i n gd r i v e r c i r c u i ta r ed i s c u s s e d , m ed e t a i l e d i n t r o d u c t i 。nt ol e dl i g h ts o u r c eu s e di nl i g h t i n g i sg i v e n t h e r e l a t e dc a l c u l a t l o nm 吼h o d ： a r es u m m e d , e s p e c i a l l yc a l c u l a t i o n m e t h o d 。fi l l u m i n a t i o n a n d l 哪m 伽姐慨批? e 三 a n dp r 0 磐椰e d i l l u m i n a t i 。nf o r m u l ao ft w ol e d l i g h ts 。u r c e si nt h ep l a n e 1 sd e r i v e d a c c 0 1 r d i n 。g t 。t h ep r i n c i p l e 。fs u p 唧0 s i t i o n 姐d c a l c u l a t i o nm e 舢do f ? d 篡竺 m u m i n a t i o ni s d e r i v e dt 0 0 f r o mt h ea b o v ew eg e t i l l u m i n a t i o ns i m l a t i o no t l e u c o m m o na r r a y sa n da n a l y z et h e m t h el e ds p e c i a la r r a y sa t er e s e a r c h e do nt h eb a s i so f a b o v es i i i l u l a t l o n t h el e u s p e c i a la 玎a y sm 2 l i n l yd i s t r i b u t e si nt h es u 加e 。fr e c t a n g u l a r , c i r “a r ，i n s i d e a n 0 o u t s i d e t 二es 锄i c y l i n d e ra n dp a r to ft h es p h e r e w eg e t t h e i ri l l u m i n a t i o ns 洫u l a t i o n a n a l i z e j h e u b da “a y s ，0 b t a i l l st h ed i s t r i b u t e d c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i f f e r e n ta h a y s ，a n d f i n d st h el a w o fa r r a y ss u i t i n gl a m p s 。 f i n “y w ep r a c t i c a l l yd e s i g nar e c t a n g u l a r 撇y ，d e r i v e db y 咖吼砌咖哪咖- c i r c u i t t e s t e dt h ea c t u a li l l u m i n a n c e ，w ec a n c o n c l u d et h a td e 讥a t 幻n0 f 豇m u l a t i 。i ：r e s u l ： i sv e r vs m a l la n ds i m u l m i o nc a n r e f t e c ta c t u a l ls i t u a t i o n i i la d d i t i o n ，m ea p p l l c a t i o n so 】! l e da 玎a ys i m u l a t i o ni nl e d s t r e e tl a m pa n dl e d t a b l el a m pa r ed i s c u s s e d t h em e t h o d 0 fa n a l v s i sc a np t o v i d e sa c c u r a t er e f e r e n c ef o rd e s i 印i n gl e d l 哪p si nt h ei l l u m l n a n 。n e n g i n e e r i n g k e yw 。r d s l e d ；l e da r r a y ；l i g h t i n g ；i l l u m i n a n c e ；s i m u l a t i o n u 海北科技大学学位论文漂创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结采壹本人承担。 指导教师签名：影秀硼 p 厶c 年月歹日 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子舨，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 侏保密。 ( 请在以上方框内打材4 ) 学位论文作者签名：关炽哆 叫年月角 指导教师签名： 亏莠缉黾 砂7 年石月箩日 妈狲 卵 名 目 雠 阳 者 ： 编 年 文硝f 论 芦 一1 第i 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 1 1 1l e d 照明发展背景 。 随着世界经济的飞速发展，照明作为日常生活中不可缺少的部分，成为了世界 各国的一项重要的能源消耗。据检索，2 0 0 8 年中国累计发电3 4 3 3 4 亿度，照明用电 量高达4 1 0 0 亿度，照明用电约占其中的1 2 ；美国2 0 0 3 年照明用电6 0 0 0 亿度，占 发电总量的约2 0 t 1 1 。而传统的照明灯具如白炽灯仅1 4 的能量产生光，其余作为 热白白耗费掉，荧光灯虽然能效四倍于白炽灯但仍有较大浪费，其他卤素灯、高压强 放电灯也是如此。人们对照明的节能、环保和智能化要求逐渐提高，传统的白炽灯 光源因其能耗高、使用寿命短、不易控制等缺点逐渐不能满足人们的需求，寻找一 种新型光源代替传统的白炽灯光源已经成为新的研究课题。 1 9 9 9 年9 月国家经贸委印发了“中国绿色照明工程 实施方案，旨在我国发 展和推广高效照明器具，逐步替代传统的低效照明光源，节约照明用电，建立优质 高效、经济舒适、安全可靠、有益环境和改善人们生活质量、提高工作效率的照明 环境，以满足国民经济各部门和人民群众日益增长的对照明质量、照明环境的需要。 当然，要满足对照明质量和视觉环境条件的更高要求，不能靠降低照明标准来实现 节能，而是要通过充分运用现代科技手段提高照明工程设计水平和方法，提高照明 器材效率来实现。传统的白炽灯、荧光灯显然不能满足使用要求，而发光效率较高 的金属卤化物灯和高压钠灯不适于普通照明。因此，真正实现绿色照明，研究和开 发的征途还很长。 随着半导体发光技术的进步，人们将照明节电的希望寄托于一种新型的照明光 源半导体光源。发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是一种半导体固体发光 器件，具有寿命长、低耗能等独特优势，起到环保、节省能源的作用，因此l e d 光 源具有光明的前景l z 】。 作为固体光源的l e d ，在节能、环保方面确实极具发展潜力。l e d 照明灯不依 靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上可以达到白炽灯1 0 的能耗，相 比荧光灯，l e d 也可以达到5 0 的节能效果；l e d 为固体封装，结构牢固，使用寿 命长达1 0 万小时以上，是荧光灯的1 0 倍，且废弃物不含汞，不会造成二次污染1 1 1 。 美国能源部预测，到2 0 1 0 年将会有5 0 的白炽灯和荧光灯被半导体灯代替，每年可 节电3 5 0 亿美元。据p i d a 统计：若台湾2 5 的白炽灯和全部日光灯被白光l e d 取 河北科技人学硕士学位论文 代，每年可节省1 1 0 亿度电力，相当于一座核电站的供电能力。另据测算，1 9 9 8 年 全球照明共消耗2 3 0 0 亿美元的电力而假如到2 0 2 5 年有半的普通光源被l e d 照明 取代，那就意味着全球每年将节约电费1 0 0 0 亿美元l 。除节能环保外，l e d 照臻还 具有无频闪、无红外和紫外辐射、光色度纯等优点，是当之无愧的绿色光源。 l e d 光源真正点燃了“绿色照明”的光辉，被认为是2 1 世纪最有价值的新光源， l e d 固态照明带来了照明领域的革命，。 1 。1 2l e d 照明现状及发展趋势 l e d 的研制起始于上世纪六十年代，随着技术的进步，其出光颜色的种类、芯 片尺寸、发光效率、输入功率和封装结构等都有了很大的飞跃。最初由予光效率较 低，光通量很小，只能在电器设备和仪器仪表上作为指示灯使用。进入9 0 年代，随 着l e d 制造材料的革新、工艺的改进和生产规模的提高，a 1 g a i n p ( 磷化铝镓铟) 等超 高亮度l e d 逐渐进入市场并占据重要地位1 4 】。特别是自1 9 9 8 年白光l e d 研制成功 后，人们认识到了l e d 在普通照明领域的巨大发展潜力，纷纷加大研究投入，从而 掀起了了一场新的产监革命照臻革命。 美国能源部每年提供5 0 0 0 万美元实施固态光源的战略发展规划：计划到2 0 2 5 年照明灯能耗可节省2 9 ，2 0 0 5 , 2 0 2 5 年可累计节省1 2 5 0 亿美元的电费，相当推迟 建立4 0 多个1 0 0 0 兆瓦的电厂，有利于减少环境污染；同时计划到2 0 2 5 年全国固态 光源市场的收入每年约1 0 0 亿美元【引。为了指导l e d 照明产业的发展，美国光电工 业发展协会( o i d a ) 制定了相应的技术路线图，计划到2 0 2 0 年，将l e d 的发光效率 提高到2 0 0 1 m 侧，而照明成本降低到3 美元，如表1 - 1 。 曰本于1 9 9 8 年在世界率先开展“2 l 世纪照明”计划，器在通过使用长寿命、更 薄更轻的g a n 高效蓝光和紫外l e d ，使褥照明的能量效率提高到传统荧光灯的两倍， 减少c 0 2 的产生，并在2 0 0 6 年完成用l e d 替代5 0 的传统照明光源的目标，整个计 划的财政预算为5 0 亿尽元网。从1 9 9 8 - 2 0 0 2 年，耗资5 0 亿霞元的第一籁冒标已经 完成，曰本正在实施第二期计划，计划到2 0 1 0 年将l e d 的发光效率提高到1 2 0l m w 。 中国予2 0 0 3 年6 胃1 7 日，幽科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国 家半导体照明工程协调领导小组 ，提出了我国实施半导体照明工程的总体方针， 研究提出中圜半导体照明产业发展的总体战略和实施方案。2 0 0 4 年6 月我国由1 5 个 科研掰和5 0 多个企业参与实施的国家l e d 固态能源计划，已毒中央政府拨款王。4 亿 元【7 1 。从2 0 0 6 年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个霾大工程进 行推动。此外，北京和其他地方政府也参与投资开发地方的固态光源。 作为一秘新型绿色照明光源，l e d 引起了各国的广泛关注和深入研究，它将成 2 第j 章绪论 表1 - 1 半导体照明光源发展目标 t a b 。1 - 1t h ed e v e l o p m e n tg o a l so fs e m i c o n d u c t o rl i g h t i n gs o u f c e 指标 2 0 0 2 笼2 0 0 7 藏 2 0 1 2 艇 勰约年 发光效率l m w2 5 7 5 1 5 02 0 0 寿命，h 2 0 , 0 0 02 0 ，0 0 01 0 0 , 0 0 01 0 0 ，o o o 毙逶盏触2 5弱ol 氆) o1 5 输入功率w l2 76 77 5 光逶价格，$ k l m 2 0 8 2 0 52 照明成本$5 4 53 显色指数7 58 08 08 0 为人类照碉史上继自炽灯、荧光灯和高压放电灯之后的第四代入工照明光源。 l 。1 3l e d 应用于照明的国内外概况及意义 在环保呼声高涨的今天，为推动l e d 照明的发展，全球许多国家甚至立法以规 范照明管理，为l e d 照明健康发展提供了机遇。尽管从技术发展来看，到2 0 1 5 年 左右，l e d 的发光效率才能达到1 5 0 1 m w 以上、成本降低1 5 - 2 0 时，l e d 在一般 照明上的应用才能普及，但并不妨碍人们对这种新型节能型产品的渴求，很多国家 和地区已经开始尝试在公共照甓系统中部署l e d 照瞬设备。 多伦多p a l a c ep i e r 海滨住宅区已经成为加拿大首个内部照明采用l e d 技术的住 宅建筑区，而这只是总值2 4 0 万美元的内部走廊革新项匿中的部分工程。该项工程 在所有4 4 层的每个走廊上都使用由近1 3 个l e d 组成的m r l 6 灯具，和传统的3 5 瓦卤素m r l 6 灯相比，加拿大c r s e l e c t r o n i c s 公司提供的l e d 灯功率仅为4 瓦。与 萁替代的3 5 瓦的蠹素灯相l - t ；，l e dm r l 6 灯耗能降低8 7 ，同时可使p a l a c e 码头屠 民每年大约节省4 万美元。 台湾地区经济部能源局目前表示，台湾地区将全面淘汰自炽灯泡，改用l e d 照 骥。交通标志灯将从2 0 0 8 年逐步替换为l e d 灯，而建筑、景观照骧及菲主要道路 所使用的水银路灯，在2 0 2 5 年底也将全面替换为l e d 灯，届时每年将可节约3 7 8 亿度电，节能潜力达4 重【引。 我国正式启动了“国家半导体照明工程 ，已经初步形成了珠江三角洲、长江三 角洲、江西及福建、北京及大连等北方地区四大l e d 照明研发区域。l e d 照明试点 工作已经开始，2 0 0 8 年2 月2 6 日，l e d 制造商科锐( c g e e ) 公司宣布，中国天津经 济技术开发区成为中国首个l e d 城市照i j ) i ( l e dc r r y ) 示范区。l e d 城市照明是科 锐公司提擞的一项錾在全球建立l e d 城市照魂示范区的绿色照明行动，通过当地致 3 河北科技人学硕士学位论文 府与l e d 制造商共同推动l e d 在基础照明设施中的应用，以达到节约能源，保护 环境，降低维护成本，提供更高品质的照明光源，以提高能见度和安全性。 另外，世界上掌握l e d 技术的新兴半导体企业纷纷和老牌灯泡制造商联手，抢 占这个未来最大的照明市场。譬如美国h p 联合了日本n i c h i a 和德国s i e m e n s ；美国 c r e e 、德国s i e m e n s 又和o s r a m 联合；美国e m c o r e 和g e 联合；日本的t o s h i b a 和h o n d a 联合等，其中o s r a m 和g e 公司都是世界著名的灯泡制造巨商【9 1 。近年来， 我国台湾地区在l e d 产业上异军突起，在白光l e d 市场上也占据一席之地。 世界照明工业的转型和新兴半导体照明产业的崛起，已成为不争的事实。半导 体照明光源具有节能、环保和寿命长等显著优点，各国都已经认识到了发展半导体 照明产业具有重要战略意义： 1 ) 半导体照明是节能的“富矿，同样亮度下耗电仅为普通白炽灯的1 1 0 节能 灯的1 2 ，使用寿命却可以延长1 0 0 倍； 2 ) 半导体照明是安全、健康的“绿色光源”，环保效果明显，半导体照明光源 直流、低压，无频闪和电磁干扰，无红外、紫外辐射，无荧光灯中的汞蒸汽等污染 物，符合欧盟未来灯具生产标准，并通过节能降耗减少火力发电产生的c 0 2 、s 0 2 和粉尘的排放量。此外，半导体照明的数字化照明应用和丰富的视觉效果可以调节 人的生理和心理，营造气氛，带来健康舒适的生活和工作环境； 3 ) 半导体照明有着巨大的市场及发展潜力，对调整传统照明产业结构，提升产 业国际竞争力意义重大； 4 ) 半导体照明产业涵盖节能、环保、高技术、微电子、基础装备制造等诸多领 域，发展半导体照明产业，对信息产业、汽车电子、原材料与装备制造、消费类电 子、航空航天、太阳能光伏以及整个光电子产业等领域均起到重要的带动作用【1 0 】。 1 2 课题研究的主要内容 随着发光二极管在照明领域的应用越来越受到人们的关注，设计更合理的l e d 灯具成为人们关注的焦点。由于单个l e d 的发光量很小，照射范围有限，l e d 光源 灯具一般采用多个l e d 的组合，如何排列组合才能使l e d 灯具设计达到最优是人 们的关注焦点之一。 本课题主要围绕发光二极管l e d ，特别是白光l e d 阵列照明光源的设计进行研 究，主要包括： 1 ) 研究l e d 照明设计中的相关计算，主要是对照度计算和光通量计算的方法 进行了总结和编程计算。通过研究照度计算方法，推导出在直角坐标系下的单个l e d 照度计算公式，并根据叠加原理，推出了两个l e d 光源在平面上产生照度的公式， 进一步推出多个l e d 光源在平面上照度的计算方法。将这些计算方法通过计算机编 4 第j 章绪论 程应用于照明设计中，用来确定l e d 数量、设计光源形状、检验照明计算的结果， 可以对实际灯具设计提供可靠的数据参考依据。 2 ) 对l e d 阵列照明光源的设计进行研究，主要研究l e d 阵列呈线形、矩形、 圆形、内外半圆柱面及部分球面的分布，对其不同的分布方式进行详细的介绍，根 据照度仿真图像对阵列进行分析，总结各种阵列的特点，分析出适合此阵列的灯具， 便于实际灯具设计。 3 ) 实际设计l e d 矩形阵列光源与驱动电路，并对其进行参数测试，将测试结 果与仿真数据进行比较，验证仿真结果的可靠性，体现仿真的实际应用价值。进一 步研究了l e d 阵列仿真在实际路灯设计和台灯设计的应用，研究了路灯设计中l e d 阵列的各种参数如路灯高度、间距等对照射效果的影响，分析了各种阵列分布在台 灯设计中的应用，比较得出l e d 阵列呈部分球面排列比较适合台灯照明。给出了分 析此类实际问题的一个基本方法，相关成果可为l e d 照明光学系统的设计和研究提 供依据。 5 河北科技人学硕士学位论文 第2 章l e d 技术基础及其应用 2 1l e d 特性 2 1 1l e d 结构及发光机理 l e d 是英文l i g h te m i t t i n gd i o d e ( 发光二极管) 的缩写，它的基本结构是一块电致 发光的半导体材料，置于一个有弓| 线的架子上，然后豳周用环氧树脂密封，起到保 护内部芯片的作用，如图2 1 所示。 图2 1 普通l e d 与大功率l e d 基本结构 f i g 2 1l e db a s i cs t r u c t u r e 发光二极管是由i i i i v 簇化合物，如g a p ( 磷化镓) 、g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导体制 成的。发光二极管的核心部分是由p 型半导体和n 型半导体组成的芯片( 即管芯) ， 在p 型半导体和n 型半导体之间有一个过渡层，称为p n 结。当在发光二极管p n 结 上加正肉电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使p 区的空 穴注入n 区，n 区的电子注入p 区，于是在p n 结附近稍偏于p 区一边的地方，处 于高能态的电子与空穴相遇复合时会把多余的能量释放并以发光的形式表现出来， 从而把电能直接转化成光能。在发光二极管的p n 结上加反向电压，少数载流子难以 注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管瑶q 发光二极管( 1 i g h t e m i t t i n gd i o d e ) ，通称l e d 。当它处于正向工作状态时( 即两端加一上正急电压_ ) ，电 流从l e d 阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的 强弱与电流有关。其发光原理圈如蚕2 。2 所示1 1 1 , 1 2 l 。 半导体材料的发光机理决定了单一l e d 芯片不可能发出连续的自光，必须以其 他的方式合成白光。表2 - 1 表示了自光l e d 的发光原理和类型。目前产生自光的方 式有两种：一是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终混合成自光，即擎芯 片型；二是采用将几种发不同色光的芯片封在一起，构成发囱光的l e d ，即多芯片 6 型。 图2 - 2l e d 发光原理 f i g 2 - 2 t h et i g h te m i t t i n gd i o d es h i n e st h es c h e m a t i cd i a g r a m 表2 1 白光l e d 类型及其原理 t a b 2 - 1w h i t e - l i g h tl e dt y p ea n dp r i n c i p l e 芯片数激发源发光材料发光原理 用蓝色光激励y a g 荧光粉发出黄色光，从 蓝色l e d i n g a n 忍a g 而混合成白光 i n g a n 的蓝色激发红、绿、蓝三基色荧光 蓝色l e di n g a n 荧光粉 粉发光 l 由薄膜层发出蓝光和基板上激发的黄光混 蓝色l e d z n s e 合成白光 i n g a n 发出紫外光激发红、绿、蓝三基色 紫外l e dl n g a n 荧光粉 荧光粉发光 将具有补色关系的两种芯片封装在一起， 2 蓝、黄、绿l e d i n g a n 、g a p 发出白光 将发三原色的三种芯片封装在一起发出自 3蓝、绿、红l e d i n i n 、a n n g a p 光 将遍布可见光区的多种色光芯片封装在一 多个多种光色的l e d i n g a n 、a l l n g a p 、( 柚n 起，构成白色l e d 2 1 2l e d 发展历史与分类 最早应用半导体l - n 结发光原理制成的l e d 光源问世于2 0 世纪6 0 年代初。当 时所用的材料是g a a s p ，发红光( z p = 6 5 0 n m ) ，在驱动电流为2 0 毫安时，光通量只 有千分之几个流明，相应的发光效率约o 1l m w 。7 0 年代初该技术进步很快，发光 7 河北科技大学硕士学位论义 效率达到王l 懋脚，颜色也扩大到红色、绿色和黄色。在其蜃许多年中，琏d 经历了 g a a s p 、g a a i a s 和i n g a a l p 等多种材料的形式，虽然发光效率提高很多，但发光颜 色长期局限于红色和黄绿色，其应用主要是数码指示和半彩色显示领域l 玛l 。1 9 9 3 年， 日亚公司的n a k a m o r a 首次成功地研制出氮化物l e d ，实现了蓝色半导体发光；进而 于1 9 9 6 年实现了白光l e d 1 4 】，使得l e d 应用从单纯的标识显示功能向照明功能迈 出了实质性的一步。2 0 0 0 年g a a i i n p 做成l e d 在红、橙区( z p = 6 1 5 n m ) 的光效达 到1 0 0l m w ，g a l n n 做成的l e d 在绿色区域( z p = 5 3 0 n m ) 的光效达到5 0l m w 。 匿前，世晃各国均加紧提高l e d 光效方面的磷究，在不远的将来荬发光效率将有更 大的提高，如表2 2 所示2 0 0 7 年底各国白光l e d 技术指标【1 5 l 。在全球能源短缺的 忧虑再度升高的背景下，l e d 在照明市场的前景更备受全球瞩目。 表2 - 2 黧内外功率型鑫巍l e d 技术指糠舭( 2 0 0 7 年薹2 秀) t a b 2 - 2t h ec o n t r a s to fh o m ea n da b r o a dp o w e r - t y p ew h i t el e dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n s ( d e c e m b e r2 0 0 7 ) 分类发光效率i r a 、矿1显色指数 目前囡内产业水平 6 0 - - 6 8 8 0 “十薮”末国内产业水平 3 0 4 0 7 0 韩罄、我晷台湾缝区 6 0 7 d s o 美、强、欧 7 0 8 0 8 0 目前l e d 有很多种类型，下面是几种主要的分类方式： ( 1 ) 按发光管发光颜色按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色( 又细 分黄绿、标准绿和纯绿) 、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的 芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发 光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发 光二极管不适合做指示灯用。图2 3 为各种颜色及外型的l e d 。 ( 2 ) 按发光二极管的结构按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环 氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构，还可分力加色散射封装、无色散射 封装、有色透明封装和无色透明封装。其封装外形可分为圆形、方形、矩形、三角 形和组合形等多种，如图2 3 所示。 ( 3 )按发光强度和工作电流按发光强度和工作电流分有普通亮度的l e d ( 发 光强度小于1 0 m c d ) ，超高亮度的l e d ( 发光强度大于1 0 0 m c d ) ，发光强度在1 0 - - - l o o m c d 间的瑟唾高亮度发光二极管。一般l e d 的工作电流在十几m a 至几十m a ，面 8 第2 章l e d 拽、基础五芤鹿崩 低电流l e d 的工作电流在2 m a 以下( 喜度与普通发光管相同) 囵 目四骨骨导旨 厨思 匠一 目2 - 3 各种颜色及外型的l e d f i 9 2 - 3 a v a r i e l y o f l o na n ds h a p 6o nl e d 4 ) 按发光管出光面特征按发光菅出光面特征分为圆灯、方灯、矩形、面发 光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2 m m 、4 4 r a m 、5 m 啦 庐8 r a m 、1 0 m m 及2 0 r a m 等。囡外通常把0 3 m m 的发光二极管记作卜l ，把4 , 5 m m 的记作t - 1 0 4 ) ，把d 44 r a m 的记作t - l ( 1 4 ) 。由半值角大小可以估计圆形发光强度 角分布情况”。 ( 5 ) 按发光强度角分布图从发光强度角分布图来分有三类： 高指向性：一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加教射剂。半 角值为5 度到2 0 度或更小具有很高的指向性，可作局部照明光源用，或与光检出 器联用以组成自动检测系统。 标准型：通常作指示灯用其半角值为2 0 度到4 5 度。 散射型：这是祝角较大的指示灯，半角值为4 5 度到9 0 度或更大，敞射剂的量 较大。 2 13l e d 光源优点 发光二极管是一种极有竞争力的新型节能光源，有垤渐取代传统照明光源的趋 河此科技人学硕士学位论文 势。它之所以能褥到业内人士的普遍关注，在指示、照明领域具有如此大的发展潜 力，是因为同传统光源相比，它具有很多优点。 2 1 3 1 节能环保 在当前全球能源危机不断严重的背景下，节约能源是我们面临的重要问题。l e d 光源属于一次光源，在发光的过程中，电能直接变为了光能，在同样亮度下，l e d 电 能的消耗仅为自炽灯的1 1 0 ，丽寿命则是自炽灯的1 0 0 倍，露翦我圜每年用于照明的 电力约2 5 0 0 亿千瓦时，如果采用l e d 照明，每年就可节电2 2 0 0 多亿千瓦时，而这个 一数字是三峡电站年发电量的3 倍，由此可见，l e d 的节能效果相当可观。人们按现在 l e d 技术发展的速度预测，到2 0 1 0 - 2 0 1 5 年，白光l e d 的发光效率将达到1 5 0 - - 2 0 0 1 m w ，远远超过所有照明光源的光效【朔。此外，现在使用的囱炽灯工作的过程 中，发出过多的热量，影响环境温度，丽现在广泛使用的荧光灯、汞灯等光源中含 有危害人体健康的汞，这样在发光过程和废弃的灯管都会对人体的人身健康和环境 造成危害，丽l e d 则没有这些闻惩，是一种无污染酶光源溉捌。 2 1 3 2 光线质量高、调光性好 l e d 是基于半导体中载流子的复合而发光的，光谱几乎全部集中于可见光频率， 不包含紫外线翔红外线，故无热量、无辐射，效率可以达到8 0 9 0 。 与白炽灯和荧光灯不同，l e d 的调光性能极佳，控制较为方便。只要调整正向 电流，就可以调节光的强度和颜色，不同光色的组合变化多端，利耀时序控制电路， 更能达到丰富多彩的动态变化效果。其丰富的色彩、良好的可控性、变化多端的照 明特色远非白炽灯和荧光灯等传统光源所能及l 姗。 - 2 7 1 3 3 使用寿命长，响应快 一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1 千小时，荧光灯寿命约1 万小时，而l e d 的寿命可达到2 - 1 0 万小时，可见其寿命长得多。l e d 本身的工作辊理决定了其发 光对电流的响应速度极快，它的响应时间为纳秒级，荧光灯为o 1 m s ，日光灯一般为 毫秒级，因此适合频繁开关以及高频运作的场合。 2 1 3 。4 应用灵活、可靠耐用 l e d 体积小，封装灵活，可以做成点、线、面等各种形式的轻薄短小产品，从 丽实现了l e d 相对普通的照明灯管体积极小豁特点。 l e d 是用环氧树脂封装固态光源，其结构既不像白炽灯有玻璃泡、灯丝等易损 坏部件，也不像荧光灯有体积大的灯管和附件，它是一种全固体结构，能经得起震 动、冲击而不至损坏，非正常报废率很小，维护费用极为低廉。 2 2 光度量参数简介 光度学( p h o t o m e t r y ) 研究对可见光的能量的计算，它使用的参餐称为光度量，以 l o 第2 章l e d 技术基础及其应用 人的视觉习惯为基础建立。 辐射度学( r a d i o m e t r y ) 适用于整个电磁波谱的能量计算。主要用于x 光、紫外光、 红外光以及其它非可见光的电磁辐射。光度学是辐射度学的一部分或特例，主要研 究人眼可以感觉到的3 8 0 - 7 8 0 n m 范围内的光辐射【2 1 1 。这两套参量的名称、符号、 定义式都彼此对应，基本相同，只是单位不同。我们这里主要介绍l e d 的光度学参 量。 2 2 1光通量 光源在单位时间内发出的光量称为光源的光通量，通常用符号矿表示，单位为流 h 韭j ( 1 m ) ，l e d 光通量f f l u x ) 是表征l e d 总光输出的辐射能量，它标志器件的性能优劣， 是描述光源发光总量的大小的，与光功率等价【2 2 】。光源的光通量越大，则发出的光 线越多。光通量与工作电流直接有关。随着电流增加，l e d 光通量随之增大。 2 2 2 发光强度 光源在指定方向上的一个很小的立体角元d q 内所包含的光通量d 9 值，除以这 个立体角元，所得的商就定义为光源在此方向上的发光强度，以i 表示，表达式为 ，。塑 ( 2 - 1 ) d q 单位是坎德拉( c a n d e l a ) ，符号为c d 。发光强度的概念要求光源是一个点光源， 或者光源的尺寸和探测器的面积与离光探测器的距离足够小。辐射强度的定义和要 求与发光强度类似。 发光强度常用于说明光源或者灯具发出的光通量在空间各个方向或在选定方向 上的分布密度，是表征发光器件发光强弱的重要性能。l e d 大量应用要求是圆柱、 圆球封装，由于凸透镜的作用，故都具有很强指向性，位于法向方向光强最大，其 与水平面交角为9 0 。当偏离正法向不同p 角度，光强也随之变化。发光强度随着 不同封装形状而强度依赖角方向，如图2 4 为普通l e d 光强分布图。 2 2 3亮度 在某个方向上的光强与人眼所见到的光源面积之比，定义为光源在该方向上的 亮度。亮度的单位为坎德拉每平米，常用l 表示。 2 2 4 发光效率 发光效率( 简称光效) 是指一个光源所发出的光通量与光源消耗的电功率p 1 之 比。发光效率表征了光源的节能特性，这是衡量现代光源性能的一个重要指标。目 河北科技大学硕士学位论义 光 强 c a 善i , , , i 一目| ! 三誊i 季；= 塑t p l l l 蓠i 三| 三兰 罩罩 群誊誊 薏摹i 霾 一”一 ”一1 一 i 阡孓三 一0 - - 平孓= ；i ：j ：j | j ：i i j；一_ ；一 u 一，； 一- _ 蠢。 萼# 事：= = = 薛车司 一蠢”一 二k 一。 霉鞘三； ：薯三毒= ：= = = = # ；4 一 i 一- 帅一 i 种h _ * 雌q 扣舳畔雌一p _ ! ! ：童_ ! ：! _ 二曩 p “一p 叶。 f 呼一卜一叶 一k ：一 舢h om - _ _ 槲- - _ _ - 甜一 竹- _ _ - _ _ h _ p - 曲删 - 。_ - - o 。1 一。o ；j j 。；一。毒 一。4 - - r 卜- 一砖一 tf 一一呼i 一l 譬，一簟一一”哮一 一拿一。专一一f1 ，。山。j 1 。j ii：一0 #卜：lti 一；一i z l ：= 一 i 图2 0 普通l e d 空阅光强分毒图 f i 窑2 - 4o r d i n a r yl e dl i g h ti n t e n s i t yd i s t r i b u t i o nm a p 前商业白光l e d 的光效尚未达到荧光灯的水平，但早已超过自炽灯和卤钨灯。 2 2 5 光熙度 二 在被照物体表面上，单位面积内所接收到的光通量称为光照度( 简称照度) 。光照 度是表征表面被照明程度的量，以e 表示，单位为勒克斯( k ) ，1 l x = ll m m 2 。公式 表示为 点：塑 。( 2 - 2 ) 出 2 。2 。6l e d 其他相关光度参数 ( 1 ) 光轴l e d 的光轴( o p t i c a la x i s ) 指的是l e d 最大发光( 或辐射) 强度方向的中 心线( 见图2 5 ) 。 f 2 ) 半强度角l e d 的半强度焦0 w 即是在发光( 或辐射) 强度分布图形中，发光 ( 或辐射) 强度大于最大强度一半的两条光线所构成的角度( 见图2 5 ) 。 ( 3 ) 偏差角 在发光( 或辐射) 强度分布图形中，最大发光( 或辐射) 强度方向( 光轴) 与机械轴z 之间的夹角即为l e d 的偏差角秽( 见图2 5 ) 。 ( 4 )光束扩散角在包含最大光强的某个平面上，两条为十分之一最大光强的 光线之间的夹角称为该平强的光来扩散焦。 2 。3l e d 驱动设计 l e d 照明系统是一个电光装换系统，其电光装换过程从供电部分开始，主要包 括原始电源、电源管理与变换、传感与控制、驱动器、热管理、l e d 散热及光学提 1 2 第2 章l e d 技术基础及其应用 x z 善努 i ” 2 机械轴 图2 5l e d 相关光度参数定义示意图 f i g 2 - 5l e db i i g h t n e s sp a r a m e t e rd i a g r a m 取等部分。其中，由原始电源和控制与驱动电路组成的l e d 供电系统是l e d 工佟 的必要条件。l e d 供电系统的动力源泉是原始电源。目前l e d 的原始电源主要有两 种：一种是电池，另一种是交流单相市电电源。电池是一种电源供应器，l e d 的电 池供电电压一般为1 5 2 4 伏；交流供电线路电压的国际通用范围为8 5 2 6 5 伏，我 国为2 2 0 伏。但是照明用的一般是白光l e d ，其正向压降通常为3 - - , 4 2 伏，所